(57)【要約】【課題】変換効率が比較的高く、かつ青色レーザ光の出力を向上させ得るような青色レーザ光の発振方法および装置を提供する。【解決手段】ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子２からの出力光を、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路８に対して基本波Ａとして入射させる。スラブ光導波路８から青色レーザ光Ｂを出力させる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子からの出力光を、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路に対して基本波として入射させることによって、前記スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを特徴とする、青色レーザ光の発振方法。
【請求項２】
前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウムカリウム結晶またはニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体結晶であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子、および非線形光学結晶からなるスラブ光導波路を備えており、前記発振素子から発振されたレーザ光を基本波として前記スラブ光導波路に入射させることによって、前記スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを特徴とする、青色レーザ光の発振装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウムカリウム結晶またはニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体結晶であることを特徴とする、請求項３記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、青色レーザ光の発振方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高出力な青色レーザ光がレーザディスプレイ等の光源として要望されている。その出力は、ディスプレイのサイズにもよるが、１Ｗ以上の出力が必要である。また、小型、高効率であることも要求されている。要望される波長はたとえば４５０〜４６０ｎｍである。青色レーザ光を直接発振する半導体レーザ素子の出力は、現在のところ数十ｍＷしかなく、かつ一般には入手できない。
【０００３】固体レーザの波長変換によって青色レーザ光を発振する方式は、たとえば非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】
Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２０５（２００２）ｐ３６１−３６５
【０００４】また、固体レーザとリッジ型光導波路型波長変換素子とを組み合わせる方式は、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】
特願２００２−１００１３０号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】非特許文献１記載の方式では、レーザ光の発振装置が大型となり、かつ発振効率が低い。たとえば、１６．７Ｗのポンプパワーから、０．８４Ｗの青色レーザ光を得ており、光−光の変換効率は５％である。
【０００６】特許文献１記載の方式では、光−光の変換効率は高くできる。しかし、青色レーザ光の出力は２５０ｍＷであり、ワット級の出力を得ることは現在の時点では困難である。この理由としては、リッジ型光導波路に高出力の基本波を入射させると、光導波路に閉じ込められる光のパワー密度が高くなりすぎ、青色レーザ光の出力が不安定になるという問題があった。
【０００７】例えばニオブ酸カリウムリチウム結晶には、青色光に対して僅かながら吸収が存在する。この結果、ニオブ酸カリウムリチウム結晶から発振された青色光の一部がこの素子内で吸収され、素子中に熱が発生する。ニオブ酸カリウムリチウム結晶における位相整合条件（位相整合波長）は、素子の温度によって変動する。このため、素子中に発生した熱によって素子の温度が上昇すると、位相整合波長が変化し、青色光の発振効率が低下し、出力が低下する。青色光の出力が低下すると、素子内で熱が発生しなくなり、素子の温度が低下する。すると、素子における位相整合波長が初期条件に戻り、青色光の発振効率が上昇し、素子からの青色光の出力が上昇する。このようなサイクルを繰り返すことにより、素子からの青色光の出力が変動し、不安定になるものと考えられる。このような出力変動は、基本波の出力が低い場合には見いだされないので、従来は問題になってこなかったものと思われる。
【０００８】また、リッジ型光導波路におけるパワー密度を下げるためにスラブ光導波路を使用することも検討した。しかし、たとえばＭｇＯドープニオブ酸リチウム単結晶のオフカット基板を使用した場合には、分極反転長さは長くとも５０μｍ程度であるので、スラブ幅は最大３０μｍが限界であった。このため、光導波路における光のパワー密度を低減することが困難であった。
【０００９】本発明の課題は、変換効率が比較的高く、かつ青色レーザ光の出力を向上させ得るような青色レーザ光の発振方法および装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子からの出力光を、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路に対して基本波として入射させることによって、スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを特徴とする、青色レーザ光の発振方法に係るものである。
【００１１】また、本発明は、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子、および非線形光学結晶からなるスラブ光導波路を備えており、発振素子から発振されたレーザ光を基本波としてスラブ光導波路に入射させることによって、スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを特徴とする、青色レーザ光の発振装置に係るものである。
【００１２】本発明者は、非線形光学結晶からなるリッジ型光導波路を使用した波長変換素子のリッジ幅を広げ、スラブ光導波路とするとともに、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザからのレーザ光を基本波として入力することを想到した。
【００１３】分極反転方式ではなく、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路を使用した。分極反転方式の光導波路は、前述した理由からスラブ幅を大きくすることができないので、光パワー密度を低下させることができないし、変換可能な基本波の波長許容幅が非常に狭い。本発明においては、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路を使用したので、スラブ幅を大きくして光パワー密度を低下させることができ、これと共に基本波の波長許容幅を広くすることができる。
【００１４】これと共に、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザからの出力光を基本波として使用する。ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザは、波長幅が広いが、高出力である。波長許容幅の広い非線形光学結晶からなるスラブ光導波路と組み合わせることで、高出力の基本波を使用でき、かつ光パワーの密度を低下させることができる。その上、前記スラブ光導波路のスラブ幅には制限が無いので、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザのエミッタサイズとスラブ光導波路のスラブ幅とを合わせることによって、光の結合効率を高くすることができる。したがって、高出力の青色レーザ光を得ることができるのと共に、光−光変換効率の低下を小さくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の発振装置１を示す模式図である。ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ２からの出力光Ａを、光学系３、４によって集光し、波長変換素子５に入射させる。波長変換素子５は、基板７とスラブ光導波路８とを備えている。スラブ光導波路８からは矢印Ｂのように高調波Ｂが出力される。
【００１６】本発明の素子によって発振される青色レーザ光の中心波長は、例えば３９０ｎｍ−５４０ｎｍである。こうした短波長の光を発振する素子は、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【００１７】非線形光学結晶は、光の波長を変換する能力を有する限り特に限定されない。非線形光学結晶は、好ましくは、カリウムおよびリチウムを含むタングステンブロンズ構造を有する結晶である。特に好ましくは、ニオブ酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体である。なお、前記タングステンブロンズ構造を保持する範囲内において、Ｎｂ、Ｔａ、Ｋ、Ｌｉの置換が可能である。例えば、Ｎａ、ＲｂによるＫ、Ｌｉの置換が可能である。この場合には、置換割合は、カリウムまたはリチウムを１００原子％としたとき、１０原子％以下とすることが好ましい。また、ニオブ酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体には、アルカリ金属、アルカリ土類金属元素を添加することができる。また、Ｃｒや、Ｅｒ、Ｎｄ等の希土類元素等のレーザー発振用ドーピング剤を添加することも可能である。
【００１８】スラブ型光導波路とは、光の伝搬する方向に対して垂直断面で見た場合に、特定方向（図１の場合は上下方向）に光の閉じ込め機能を持つ導波路のことをいい、１つ以上の導波モードを伝搬させる機能を持つものである。スラブモード伝搬光とは、このスラブ型光導波路ないし二次元光導波路内で、特定方向（図１の場合は上下方向）に閉じ込められた状態で伝搬している光を言う。スラブモード伝搬光は、通常は複数の導波モードで伝搬するマルチモード伝搬光である。
【００１９】スラブ型光導波路の厚さは特に限定されないが、使用する光の波長、およびスラブ導波路を伝搬する光の集光性より、最適の効率になるように設定する。例えば、スラブ光導波路の厚さは、光の伝搬効率の観点からは、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。スラブ光導波路が薄すぎる場合には、カットオフとなり、オフモードの光がしみだしてしまうおそれがあるので、この観点からは、スラブ光導波路の厚さは２μｍ以上とすることが好ましい。
【００２０】基板７の材質は特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、ガラスを例示できる。あるいは、基板７を、上述したような非線形光学結晶によって形成できる。
【００２１】非線形光学結晶の熱膨張率Ｃと、基板７を構成する材質の熱膨張率Ｓとは、互いに近いことが好ましい。これによって、素子を室温以外の高温または低温環境下で使用する場合に、高調波の発振特性が安定であり、信頼性に優れる。この観点からは、非線形光学結晶の熱膨張率Ｃに対する各支持体材質の熱膨張率Ｓの比率（Ｓ／Ｃ）は、０．６〜１．４であることが好ましく、０．８５〜１．１５であることが更に好ましい。
【００２２】基板７の表面領域に、チタン拡散法、プロトン交換法によってスラブ光導波路８を形成することができる。
【００２３】あるいは、スラブ光導波路は、非線形光学結晶からなる板状体と基板７とを接合し、次いで板状体を研磨加工することによって形成できる。この場合には、板状体と基板７とは以下の方法で接合できる。
（１）有機系接着剤（例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂）によって接合する。
（２）無機系接着剤（例えば低融点ガラス）によって接合する。
（３）  板状体と基板７とを、拡散接合、圧着、オプティカルコンタクトによって接合する。
【００２４】あるいは、スラブ光導波路は、板状体基板にニオブ酸リチウムカリウム結晶からなる薄膜を成膜することによって形成できる。形成方法には、例えばＭＯＣＶＤ法を例示できる。
【００２５】ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザは、例えば「固体レーザー励起用高出力半導体レーザー（第２回「フォトン計測・加工技術」シンポジウム  ９０−９３頁）に記載されているものである。また商品名としては、「ＳＬＤ３２３ＸＴ」「ＳＬＤ３４３ＹＴ」「ＳＬＤ３４４ＹＴ」（ソニー製）を例示できる。
【００２６】本発明の素子には、更に、光導波層に入射する光の波長を固定するための反射グレーティング部と、光導波層の温度を制御する温度制御手段とを設けることができる。
【００２７】
【実施例】（スラブ光導波路の作製）
縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＺカットのニオブ酸カリウムリチウムからなる板状体を準備した。この板状体はマイクロ引下げ法によって得られたものである。また、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ，厚さ１ｍｍのソーダガラス製基板７を準備した。板状体と基板７との各接合面を化学機械研磨し、平面度０．５μｍ以下とした。加熱硬化型の接着剤を使用し、両者を１５０℃で接着し、接着体サンプルを得た。板状体と基板７との間の接着層の厚さは約０．５μｍとした。ニオブ酸カリウムリチウム基板を化学機械研磨し、厚さ約３μｍ、幅１００μｍのスラブ光導波路８を形成した。次いで、ダイサーによって接着体サンプルを切断し、長さ３．５ｍｍのチップを得、チップの両端面を光学研磨した。このチップを更にダイサーで切断することによって、幅２ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ３ｍｍの素子５を得た。素子５の両端面に、それぞれ、波長９２０ｎｍ、４６０ｎｍの光に対する無反射（ＡＲ）コートを施した。
【００２８】この素子５を用いて第二高調波を発生させた。基本波光源としては、波長９２０ｎｍで発振するファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ（エミッタサイズ１００μｍ×１μｍ）を使用した。このレーザをスラブ光導波路にレンズ３，４を用いて光学結合した。
【００２９】この結果、波長４６０ｎｍの第二高調波が発振した。基本波Ａの出力を、図２に示すように変化させた。この結果、第二高調波の出力は基本波パワーの二乗に比例して増加した。基本波出力が３Ｗのときには、出力５２０ｍＷの青色レーザ光が発振した。
【００３０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、変換効率が比較的高く、かつ青色レーザ光の出力を向上させ得るような青色レーザ光の発振方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の青色レーザ光発振装置１を示す模式図である。
【図２】基本波の出力と青色レーザ光の出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】１  青色レーザ光発振装置        ２  ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ        ３、４  光学系        ５  波長変換素子    ７  基板        ８  スラブ光導波路        Ａ  基本波        Ｂ  青色レーザ光
【図１】
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【図２】
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